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舵机控制原理.doc

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.16M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    (资料1)飞思卡尔智能车舵机和测速的控制设计与实现
    （资料2）DIY：舵机知识扫盲
    （资料3）飞思卡尔舵机学习笔记
    (资料 1)飞思卡尔智能车舵机和测速的控制设计与实现 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛以快速跑完规定赛道为目标。尽可能提高车模 速度，跑出好成绩，是整个车模设计的关键。为了进一步提高车模速度，作者曾在车模调试 阶段尝试算法、程序控制等多种方法都无明显效果，经多次分析发现，舵机的优化及其控制 尤为重要，特别合适舵机转向和速度检测反馈控制。经过不断改进、调试和优化，该设计方 案能够使智能车行驶速度和稳定性都得到显著提高。 1 车模系统 飞思卡尔智能车系统主要由一系列的机械零部件和控制软件组成，主要包括由大赛组委 会统一提供标准的车模底盘、轮胎、舵机、驱动电机、PC9S12 控制板和电源等，另外，系 统中的道路检测装置和测速装置需自行设计安装。图 l 为车模系统框图。 要赛出好的成绩，智能车除应具有可靠的道路检测装置外，舵机的灵活转向控制则依赖 于机械系统中各个零部件间协调运行。为提高智能车的整体协调性能，一定要把握好“车身 简捷、底盘低稳、转向灵活、协调匹配”的设计与安装原则。 2 舵机 舵机是操控车模行驶的方向盘。舵机的输出转角通过连杆传动控制前轮转向，其转角精 度直接影响到智能车模能否准确按赛道路线行驶，此外，还可考虑采用舵机进行机械闸制动 以及多个舵机群控等方法。但飞思卡尔智能汽车大赛规则要求车模中的舵机不能超过 3 个。 2．1 舵机工作原理 舵机在 6 V 电压下正常工作，而大赛组委会统一提供的标准电源输出电压为 7．2 V， 则需一个外围电压转换电路将电源电压转换为舵机的工作电压 6 V。图 2 为舵机供电电路。
    舵机由舵盘、位置反馈电位计、减速齿轮组、直流动电机和控制电路组成，内部位置反 馈减速齿轮组由直流电动机驱动，其输出轴带动一个具有线性比例特性的位置反馈电位器作 为位置检测。当电位器转角线性地转换为电压并反馈给控制电路时，控制电路将反馈信号与 输入的控制脉冲信号相比较，产生纠正脉冲，控制并驱动直流电机正向或反向转动，使减速 齿轮组输出的位置与期望值相符。从而达到舵机精确控制转向角度的目的。舵机工作原理框 图如图 3 所示。 2．2 舵机的安装与调节 舵机的控制脉宽与转角在-45°～+45°范围内线性变化。对于对速度有一定要求的智能 车，舵机的响应速度和舵机的转向传动比直接影响车模能否以最佳速度顺利通过弯道。车模 在赛道上高速行驶，特别是对于前瞻性不够远的红外光电检测智能车，舵机的响应速度及其 转向传动比将直接影响车模行驶的稳定性，因此必须细心调试，逐一解决。由于舵机从执行 转动指令到响应输出需占用一定的时间，因而产生舵机实时控制的滞后。虽然车模在进入弯 道时能够检测到黑色路线的偏转方向，但由于舵机的滞后性，使得车模在转弯过程中时常偏 离跑道，且速度越快，偏离越远，极大限制车模在连续弯道上行驶的最大时速，使得车模全 程赛道速度很难进一步提高。为了减小舵机响应时间，在遵守比赛规则不允许改造舵机结构 的前提下，利用杠杆原理，采用加长舵机力臂的方案来弥补这一缺陷，加长舵机力臂示意图 如图 4 所示。
    图 4 中，R 为舵机力臂；θ为舵机转向角度；F 为转向所需外力；α为外力同力臂的夹 角。在舵机输出盘上增加长方形杠杆，在杠杆的末端固定转向传动连杆，其表达式为： 加长力臂后欲使前轮转动相同角度时，在舵机角速度ω相同的条件下舵机力臂加长后增 大了线速度 v，最终使得舵机的转向角度θ减小。舵机输出转角θ减小，舵机的响应时间 t 也会变短。同时由式(1)可推出线速度口增大后，前轮转向所需的时间 t 相应也会变短，其表 达式为： (2) t=ds／dv 此外，当舵机连杆水平且与舵机力臂垂直时，得到力矩 M，可由式(3)表示： M=FRsinα 说明当舵机连杆和舵机力臂垂直时α=900°，此时 sinα得到最大值。在舵机力臂 R 一 (3) 定和外力 F 相同条件下，舵机产生的力矩 M 最大，实现前轮转向的时间最短。 在实际调试车模时发现，这种方法对提高舵机的响应速度也具有局限性：当在舵机输出 力矩相同的条件下，力臂越长，作用力越小。在转向遇到较大转向阻力时，会影响舵机对转 向轮控制的精度，甚至使转向轮的响应速度变慢；另外，舵机机械结构精度产生的空程差也 会在力臂加长中放大。使得这一非线性环节对控制系统的不利影响增大。因此，舵机安装的 高度具有最佳范围，仍需通过试验反复测试。 3 霍尔传感器的应用 由于在赛前比赛赛道的几何图形是未公开的。赛前车模训练的路线与实际比赛的路线相
    差甚远，若车模自适应性调整不好，车模会在连续弯道处频繁的偏转。赛道的变更给车模的 适应性和稳定性带来了一定挑战。为了使得车模能够平稳地沿着赛道行驶，除控制前轮转向 舵机以外，还需要控制好各种路况的车速，使得车模在急转弯和下坡时不会因速度过快而冲 出赛道。因此，利用霍尔传感器检测车模瞬时速度，实现对车模速度的闭环反馈控制，小车 的 PC9S12 控制板能够根据赛道路况变化而相应执行软件给定的加速、减速、刹车等指令， 在最短的时间内由当前速度转变为期望的速度，使得车模快速平稳行驶。 基于霍尔效应，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每个小钢磁通过时产生一个相应的 脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。霍尔传感测速装置示意图如图 5 所示。 显然不是安装小钢磁越多越好，在一定的条件允许范围内，磁性转盘上小钢磁的数目越多， 确定传感器测量转速的分辨率也越高，速度控制也越精确。一般 4～8 片是最佳范围。 4 结束语 为了参加第四届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛，此设计方案在校级代表队资 格选拔赛中表现完美，最终跑出 19.7 s 的好成绩，成功入选。实践证明了智能车舵机控制 转向和霍尔控制测速优化方案具有可行性和实用性。 来源： 电子设计工程 作者：雷贞勇 谢光骥 （资料 2）DIY：舵机知识扫盲
    Tod E. Kurt DIYer: GEEK 指数: ★★★☆☆ 双向电梯 1 简介 2 舵机的结构和原理 3 选择舵机 4 舵机的支架和连接装置 5 如何控制舵机 6 舵机应用：云台网络摄像头 7 如何 DIY 连续旋转的舵机 8 连续旋转舵机的应用：5 分钟的绘图机器人 1 简介 舵机控制的机器人 ● 我猜你肯定在机器人和电动玩具中见到过这个小东西，至少也听到过它转起来时那与众 不同的“吱吱吱”的叫声。对，它就是遥控舵机，常用在机器人技术、电影效果制作和木偶 控制当中，不过让人大跌眼镜的是，它竟是为控制玩具汽车和飞机才设计的。 ● 舵机的旋转不像普通电机那样只是古板的转圈圈，它可以根据你的指令旋转到 0 至 180 度之间的任意角度然后精准的停下来。如果你想让某个东西按你的想法运动，舵机可是个不 错的选择，它控制方便、最易实现，而且种类繁多，总能有一款适合你呦。 ● 用不着太复杂的改动，舵机就可摇身一变成为一个高性能的、数字控制的、并且可调速 的齿轮电机。在这篇文章中，我会介绍舵机使用的的一些基础知识以及怎样制作一个连续运 转舵机。 2 舵机的结构和原理
    A.标准舵机图解 ● 遥控舵机（或简称舵机）是个糅合了多项技术的科技结晶体，它由直流电机、减速齿轮 组、传感器和控制电路组成，是一套自动控制装置，神马叫自动控制呢？所谓自动控制就是 用一个闭环反馈控制回路不断校正输出的偏差，使系统的输出保持恒定。我们在生活中常见 的恒温加热系统就是自动控制装置的一个范例，其利用温度传感器检测温度，将温度作为反 馈量，利用加热元件提输出，当温度低于设定值时，加热器启动，温度达到设定值时，加热 器关闭，这样不就使温度始终保持恒定了吗。
    B.闭环反馈控制 ● 对于舵机而言呢，位置检测器是它的输入传感器，舵机转动的位置一变，位置检测器的 电阻值就会跟着变。通过控制电路读取该电阻值的大小，就能根据阻值适当调整电机的速度 和方向，使电机向指定角度旋转。图 A 显示的是一个标准舵机的部件分解图。图 B 显示的 是舵机闭环反馈控制的工作过程。 3 选择舵机 C.大扭力/微型/标准舵机 ● 舵机的形状和大小多到让人眼花缭乱，但大致可以如图 C 所示分类。最右边身材不错的 是常见的标准舵机，中间两个小不点是体积最小的微型舵机，左边的魁梧的那个是体积最大 的大扭力舵机。它们都是同样的三线控制，因此你可以根据需求换个大个的或小个的。 ● 除了大小和重量，舵机还有两个主要的性能指标：扭力和转速，这两个指标由齿轮组和
    电机所决定。扭力，通俗讲就是舵机有多大的劲儿。在 5V 的电压下，标准舵机的扭力是 5.5 千克/厘米（75 盎司/英寸），转速很容易理解，就是指从一个位置转到另一个位置要多长时 间。在 5V 电压下，舵机标准转度是 0.2 秒移动 60 度。总之，和我们人一样，舵机的个子越 大，转的就越慢但也越有劲儿。 ● 赶快想好你要做的东西，让我们开始动手吧。确定做什么之后，选择哪种大小的舵机（标 准型、微型、绞盘型）就是小 case 了，你可以绅士般的从中选个最便宜的。在这个项目中， 我选的就是微型系列的 HexTronik 公司生产的 HXT500 型舵机，额定数值是扭力 0.8 千克， 转速 0.10 秒，只花不到 4 美元就搞定了。 4 舵机的支架和连接装置 D.多种舵盘 ● 想在你的项目中用上舵机，就要满足两个条件：一是需要个能把舵机固定到基座上的支 架，二是得有个能将驱动轴和物体连在一起的连接装置。支架一般舵机上就有，而且带有拧 螺丝用的安装孔。如果你仅仅是测试的话，用点儿热熔胶或者双面泡沫胶带就能轻松的固定 住舵机。 ● 怎样连接驱动轴呢，你会发现舵机都附带了一些有孔的小东西，这就是舵盘，它可以套 在驱动轴，臂上打上了些小孔。你只要用连接棒或者线把物体连到孔上，就可以将舵机的旋 转运动变成物体的直线运动了，当然了，选用不同的舵盘或固定孔就能产生不同的运动啦。 ● 图示的是几种不同的舵盘。前面 4 个白色的是舵机附带的舵盘，右边四个是用激光切割 机切割塑料得到的 DIY 舵盘。最右边的 2 个是舵盘和支架的组合，如果你想实现两个舵机 的组合运动，把这个舵盘的支架固定到另一个舵机的支架上就 OK 了。
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